范華翔，李文華，趙仁凱

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州，510006）

0 引言

隨著物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們的資產(chǎn)也隨之增加。但社會上的盜竊事件頻頻發(fā)生，使人們的防范意識在不斷地加強，越發(fā)意識到防盜系統(tǒng)的重要性，開始安上防盜窗和防盜門，裝上防盜攝像頭。目前，攝像頭大多通過算法對圖像進(jìn)行分析從而實現(xiàn)定位[1～2]，但存在因畫面變化而產(chǎn)生誤判。如今高度智能化的社會發(fā)展，聲音定位技術(shù)成為多個領(lǐng)域的基礎(chǔ)需求，是一項具有廣泛應(yīng)用的技術(shù)，因此將聲音定位技術(shù)融入防盜設(shè)備具有十分可觀的前景。

為了提高防盜攝像頭的功能性，解決攝像頭對目標(biāo)誤判問題，對防控攝像頭進(jìn)行智能化設(shè)計，增強了防盜攝像頭的定位功能而開發(fā)了此聲音定位系統(tǒng)加以輔助。通過聲音定位系統(tǒng)通過目標(biāo)發(fā)出的聲音確定目標(biāo)位置，再將數(shù)據(jù)傳給攝像頭，當(dāng)數(shù)據(jù)與攝像頭內(nèi)的算法相匹配時，攝像頭根據(jù)結(jié)果進(jìn)行對目標(biāo)鎖定。本系統(tǒng)采用到達(dá)時差法(Time Difference of Arriva1，TDOA)，即聲波傳播需要時間，兩個相距固定距離的傳感器接收到聲波信號存在時間差Δt 的原理。由此原理而構(gòu)建的模型為：通過4 個麥克風(fēng)進(jìn)行收音，每2 個為一組，兩組麥克風(fēng)分別收集聲音信號，將信號傳遞給以STC89C52 單片機為核心的處理器，對傳遞的聲音信號進(jìn)行處理可獲得兩個時間差，再對時間差進(jìn)行處理與計算，通過時間差構(gòu)建兩組雙曲線，再利用雙曲線的性質(zhì)進(jìn)行運算即可得到聲源的坐標(biāo)。

1 系統(tǒng)理論分析與模型

如今通過傳感器對聲源進(jìn)行定位方式主要有三種，第一種是基于目標(biāo)信號到達(dá)時差法(Time Difference of Arriva1，TDOA)，即聲波傳播需要時間，兩個相距固定距離的傳感器接收到聲波信號存在時間差Δt 的原理，通過時間差構(gòu)建雙曲線，多個雙曲線相交的交點來確定聲源位置；第二種是基于目標(biāo)信號的能量來分析，通過構(gòu)建聲音能量傳播衰減模型進(jìn)行分析[3]，傳感器對接收的信號進(jìn)行處理，分析出其距離與能量的關(guān)系，通過能量衰減模型構(gòu)建圓形，多個圓形相交的交點即為聲源位置；第三種則是聲源的到達(dá)方位（Directions of Arrival，DOA）[4]，即通過傳感器接收不同方向的聲源信號，對每個方向的信號進(jìn)行分析，從而確定聲源的方位，通過多個傳感器找出聲源方向，后各方向交點即為聲源位置。其中第二種方式通過能量衰減模型對聲源進(jìn)行定位，需要較高的硬件設(shè)備要求，聲源信號能量衰減公式較為復(fù)雜不易計算，同時環(huán)境對能量衰減影響較大；而第三種方式通過到達(dá)方位則對設(shè)備要求十分高，同時相當(dāng)于另兩者精準(zhǔn)度較低；第一種方式通過到達(dá)時差法對聲源定位，其對聲音傳感器的時間同時性要求較高，但相當(dāng)于其他兩項較為簡單，只需簡單的聲音觸發(fā)裝置與計時器即可，在當(dāng)前防盜攝像頭的應(yīng)用中，其誤差（定時器頻率所產(chǎn)生的誤差）可忽略不計，因此該裝置采用到達(dá)時差法對聲源進(jìn)行定位。

通過對到達(dá)時差法的應(yīng)用，聲波傳播需要時間，兩個相距固定距離的聲音傳感器接收到的信號會存在時間差Δt，將此時間差與聲速進(jìn)行相乘即可得到聲源到兩個傳感器的距離的差值，結(jié)合雙曲線的性質(zhì)可知此差值為雙曲線的長軸2a 的大小，以此構(gòu)建二維平面，并將雙曲線方程表示出來，如圖1 所示。若存在兩組聲音傳感器，其位置一組傳感器的連線與另一組的連線垂直，則可構(gòu)建兩組雙曲線，此時出現(xiàn)4 個交點，最后通過傳感器觸發(fā)先后判斷方向，確定象限，即可確定聲源，如圖2[5]所示。

圖1 構(gòu)建雙曲線實驗原理圖示

圖2 實驗二維平面圖示

傳感器1 與傳感器2 在x 軸上，中點為坐標(biāo)原點，相距為2c，聲音到達(dá)兩者需要時間，這時間可得到一個時間差 1tΔ，傳感器3 與傳感器4 在y 軸上，其連線剛好與傳感器1 與傳感器2 的連線垂直平分線，相距也為2c，同理可得一個時間差Δt2，兩者可求兩個雙曲線的長軸長2a，即：

為方便計算，原先就控制好雙曲線的焦距為2c（即一組傳感器的距離），再通過雙曲線的性質(zhì)可得到其短半軸長b 的平方，即：

設(shè)所求聲源在二維平面上的位置為（x0，y0），又因為雙曲線是基于聲源到兩傳感器的距離差所構(gòu)建，所以聲源必在雙曲線上，則兩個雙曲線表達(dá)式可為：

2 電路與程序設(shè)計

■2.1 電路設(shè)計

核心設(shè)備：單片機STC89C52（頻率為12MHz，周期為1μs，誤差系統(tǒng)為±0.10mm，滿足應(yīng)用需求）；4 個麥克風(fēng)（以聲強觸發(fā)，可通過改變麥克風(fēng)的可調(diào)電阻的阻值來調(diào)控靈敏度，從中可過濾環(huán)境中的雜音，防止環(huán)境中的噪音影響）；LCD1602 顯示屏（16*2 的網(wǎng)格，滿足數(shù)據(jù)的顯示）。

定位系統(tǒng)分3 個模塊，分別為接收模塊，處理數(shù)據(jù)模塊和顯示模塊。三者都有現(xiàn)成的模塊：麥克風(fēng)、STC89C52單片機與LCD1062 顯示屏，因此直接將三者連接起來即可，麥克風(fēng)接收到信號傳遞給單片機，單片機處理完數(shù)據(jù)，傳遞給屏幕。將4 個麥克風(fēng)分別連接單片機STC89C52 的4 個IO 口，單片機STC89C52 又與LCD1062 顯示屏連接即可。同時4 個麥克風(fēng)呈十字?jǐn)[放，用杜邦線將麥克風(fēng)與單片機連接，同時使杜邦線都為同樣長度，保證即使麥克風(fēng)傳遞信號存在延遲，也能使在處理數(shù)據(jù)時，延遲對結(jié)果無影響。同時單片機與屏幕位置不影響定位。單片機的4 個IO 口一直保持高電平，當(dāng)一個麥克風(fēng)接收到聲音信號后會傳送一個低電平信號給單片機，單片機接收到低電平后會啟動定時器進(jìn)行計時，當(dāng)?shù)诙€IO 口出現(xiàn)低電平時停止計時，即可得時間段，再計算出雙曲線長軸長2a，再將結(jié)果在顯示屏上顯示。

■2.2 程序設(shè)計

若傳感器1，傳感器2，傳感器3，傳感器4，對應(yīng)STC89C52 單片機IO 為P1，P2，P3，P4。傳感器1 和傳感器2 對應(yīng)定時器T1；傳感器3 和傳感器4 對應(yīng)定時器T2。

首先STC89C52 單片機會先重置一組傳感器的電平信號為高電平，后檢測電平信號是否改變，當(dāng)改變時，會記錄哪個傳感器先發(fā)生改變，并根據(jù)該傳感器所在位置判斷方向，同時在LCD1602 顯示屏上顯示，在STC89C52 單片機在記錄傳感器的同時，會啟動對用組的定時器，開始計時，此時再次檢測是否存在信號的變化，當(dāng)檢測到另一個傳感器也傳遞了高電平信號時，定時器停止計時，定時器所計的時間即為到達(dá)時差法所需的時間差，得到時間差后進(jìn)行計算即可得到聲源的坐標(biāo)。

圖3 算法流程圖

如圖1 所示，傳感器1 與傳感器2 為一組，先重置P1與P2 的電平為高電平，后一直檢測電平十分發(fā)生改變，當(dāng)聲源發(fā)聲后，聲音會先傳播到傳感器2，傳感器2 接收到信號后，會給一個低電平信號到STC89C52 單片機，當(dāng)STC89C52 單片機檢測到電平的變化，會記錄P2，同時使定時器T1 開始計時，直到聲音傳遞到傳感器1 時，傳感器1 也會給一個低電平信號給單片機，單片機停止計時，并由計算出2a1，由于P2 先觸發(fā)，因此在負(fù)半軸，顯示在顯示屏上。傳感器3 與傳感器4 為另一組，同理得出2a2，同時判斷所在半軸。由此得出x0與y0的值和其所在象限[6]。

在實際監(jiān)控攝像頭的應(yīng)用中，可將單片機傳遞給顯示屏的數(shù)據(jù)換為傳遞給攝像頭，后攝像頭結(jié)合自身算法對圖像處理的結(jié)果與聲音定位的結(jié)果配對，當(dāng)在允許的誤差范圍內(nèi)配對成功，攝像頭再對目標(biāo)進(jìn)行定位。

3 定位誤差與精確度

■3.1 誤差計算

由于在二維平面中測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是個二維數(shù)據(jù)，所以誤差也存在兩個維度，用測量點與實際點的x 軸坐標(biāo)差Δx和測量點與實際點的y 軸坐標(biāo)差Δy 來描述該誤差，一個點位，多次測量的Δx 與Δy 為：

結(jié)Δx 與Δy 的實際意義，即為多次測量后計算出來的平均測量點位與實際點位的x 軸坐標(biāo)差和y 軸坐標(biāo)差，所以為更好的反映出誤差，則把定位的誤差以定位的實際點位和平均測量點位的距離來衡量，即：

由此選取兩個點使用基于該定位系統(tǒng)的定位裝置進(jìn)行的多次測試得表1。

表1 實驗結(jié)果圖

由表1 得，該裝置能以小于40mm 的誤差得到十分精確位置，后經(jīng)過大量不同點位，多次測量與計算，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到誤差為（29.65±13.87）（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）mm。對于防盜的實際應(yīng)用以小于5cm 的誤差進(jìn)行定位，基本滿足使用。

■3.2 精確度分析

（1）由于計算時規(guī)定聲速為340m/s，沒有考慮環(huán)境對聲速的影響，從而產(chǎn)生計算的誤差。影響聲速（v）的環(huán)境因素有溫度（T），濕度（Pw 是空氣中水蒸氣的分壓強）和大氣壓強（P），關(guān)系式為：

由于自然界中，大氣壓強幅度與濕度對速度影響因素較小，同時當(dāng)溫度升高時Pw 會增大與P 會下降，都使速度變大，因此經(jīng)過綜合的分析聲速可與溫度直接相關(guān)聯(lián)，則(12)可簡化為：

由(13)可得若每增加10 開爾文，即10℃，速度變化6m/s，代入計算點位公式可近似得出其誤差約為10mm。由于當(dāng)時實驗時氣溫約為26℃，產(chǎn)生的誤差約為10mm，在誤差為（29.65±13.87）（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）mm 中，其占較大影響，但在實際應(yīng)用中可忽略不計。該點也為下一步改進(jìn)的方向，即增加溫度測量裝置，以減少其誤差。

（2）無法保證兩坐標(biāo)軸角度為90 o，但由于傳感器布置區(qū)域易控制，能保證其偏離不超過0.5 o，其誤差較小，在實際應(yīng)用中可忽略。

（3）由于定時器頻率的影響，經(jīng)過查閱使用的單片機相關(guān)資料得到其晶振頻率為12MHz，經(jīng)過計算12MHz 除12 為1MHz，也就是說一秒=1000000 次機器周期，所以周期為1μs，因此定時器的精確度為1μs。若定340m/s為聲速，所以其最大出現(xiàn)的誤差為一周期聲音運動距離為0.34mm，代入計算定位公式可近似得到誤差系統(tǒng)為±0.10mm，滿足應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)把聲音定位技術(shù)融入防盜系統(tǒng)，輔助監(jiān)控攝像頭對目標(biāo)的定位功能，解決攝像頭對目標(biāo)鎖定出現(xiàn)誤判的問題。以到達(dá)時間差為基礎(chǔ)，STC89C52 為核心與4 個麥克風(fēng)組成了簡易的聲音定位系統(tǒng)并能基本滿足防盜系統(tǒng)所需的聲音定位精度。與此同時也存在一些可改進(jìn)的地方，如增加溫度測量裝置，減少其誤差，或是使用速度更快，造價更低的芯片。但本裝置的優(yōu)勢也十分突出：原理簡單，操作方便，體積小，成本低廉，且能以誤差為（29.65±13.87）（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）mm 精準(zhǔn)地定位。這些優(yōu)點為產(chǎn)品可大規(guī)模應(yīng)用提供了保障，同時也具有十分廣闊的市場。